資源簡介

新人教生物一輪復習微專題3
【知識必備】
1.光呼吸
光呼吸是指綠色植物在光照情況下吸收O2，將葉綠體中的C5分解產生CO2的過程。光呼吸是一個“耗能浪費”的生理過程，因此，抑制植物的光呼吸可實現農作物的增產。
光呼吸與光合作用的關系
①與光呼吸有直接關系的細胞器為葉綠體、線粒體。光呼吸產生的條件是光照、高O2含量和低CO2含量等。
②在干旱天氣和過強光照下，因為溫度很高，蒸騰作用很強，氣孔大量關閉。此時的光呼吸可以消耗光反應階段生成的多余的NADPH和ATP，又可以為暗反應階段提供原料，因此光呼吸對植物有重要的正面意義。　　　
[例1] (2023·山東濰坊一模)光呼吸是O2/CO2偏高時與光合作用同時發生的生理過程，是經長期進化形成的適應機制。光呼吸和暗反應關系密切，機理如圖所示。下列敘述錯誤的是(　　)
A.光呼吸可保證CO2不足時，暗反應仍能正常進行
B.光合作用的光反應強于暗反應容易導致光呼吸發生
C.光呼吸過程雖消耗有機物，但不產生ATP
D.抑制光呼吸能大幅度提高光合作用強度
答案　D
解析　在環境中CO2不足時，植物通過光呼吸產生CO2，供暗反應進行，A正確；光合作用的光反應強于暗反應時，O2/CO2偏高，產生過多的NADPH和ATP，光呼吸容易進行，B正確；從過程圖看出光呼吸過程消耗了C5，消耗ATP，不產生ATP，C正確；抑制光呼吸能夠減少有機物的消耗，但不能大幅度提高光合作用強度，D錯誤。
2.C4植物
在綠色植物的光合作用中，二氧化碳中的碳首先轉移到含有四個碳原子的有機物(C4)中，然后才轉移到C3中，科學家將這類植物叫作C4植物，將其固定二氧化碳的途徑，叫作C4途徑。
①玉米、高粱、甘蔗都是C4植物，適于在高溫、干燥和強光的條件下生長。
②C4植物葉肉細胞的葉綠體有類囊體能進行光反應，同時CO2被整合到C4化合物中，隨后C4化合物進入維管束鞘細胞，維管束鞘細胞中沒有完整的葉綠體，C4化合物釋放出的CO2參與卡爾文循環，進而生成有機物。
③PEP羧化酶被形象地稱為“CO2泵”，它提高了C4植物固定CO2的能力，使C4植物比C3植物具有較強光合作用(特別是在高溫、光照強烈、干旱條件下)能力，并且無光合午休現象?！　　?br/>[例2] (2023·河南天一大聯考)玉米固定CO2的能力比小麥強70倍。磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)是C4植物(如玉米)特有的固定CO2的關鍵酶?？蒲腥藛T將玉米的PEPC基因導入小麥中，獲得轉基因小麥以提高小麥產量。為探究轉基因小麥固定CO2的能力，研究人員將轉基因小麥和普通小麥分別放置在相同的密閉小室中，給予充足的光照，利用紅外測量儀每隔5 min測定小室中的CO2濃度，結果如圖所示。下列有關敘述錯誤的是(　　)
A.PEPC能降低固定CO2反應所需的活化能
B.圖中屬于轉基因小麥變化曲線的是Ⅱ
C.圖中CO2濃度保持不變時植物的光合速率等于呼吸速率
D.突然降低光照強度，短時間內細胞中ADP和C5的含量均降低
答案　D
解析　酶能降低化學反應所需的活化能，故PEPC能降低固定CO2反應所需的活化能，A正確；由圖可知，Ⅱ曲線代表的植物利用低濃度CO2的能力更強，故Ⅱ是轉基因小麥，B正確；植物的光合速率等于呼吸速率時，密閉小室中CO2濃度保持不變，C正確；突然降低光照強度，短時間內光反應產生NADPH和ATP速率降低，ADP含量增加，C3還原速率下降，C5合成速率下降，而C5消耗速率不變，C5含量降低，D錯誤。
3.CAM途徑
①仙人掌、菠蘿和許多肉質植物都進行這種類型的光合作用。這類植物特別適合于干旱地區，其特點是氣孔夜間開放，白天關閉。
②該類植物夜間吸收CO2，淀粉經糖酵解形成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)，在磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶催化下，CO2與PEP結合，生成草酰乙酸，進一步還原為蘋果酸儲存在液泡中。而白天氣孔關閉，蘋果酸轉移到細胞質基質中脫羧，放出CO2，進入C3途徑合成淀粉；形成的丙酮酸可以形成PEP再還原成三碳糖，最后合成淀粉或者轉移到線粒體，進一步氧化釋放CO2，又可進入C3途徑。
③該類植物葉肉細胞夜間淀粉減少，蘋果酸增加，細胞液pH下降；白天淀粉增加，蘋果酸減少，細胞液pH上升?！　　?br/>[例3] (2023·河北唐山調研)多肉植物是指營養器官肥厚多汁并且儲藏大量水分的植物，能夠在高溫干旱的條件下良好生長。多肉植物葉片上的氣孔夜間開放吸收CO2，生成蘋果酸儲存在液泡中；白天氣孔關閉，液泡中的蘋果酸經脫羧作用釋放CO2用于光合作用。請回答下列問題：
(1)多肉植物白天進行光合作用所需CO2來源有________和________(請填寫相關生理過程)。多肉植物夜晚能吸收CO2，卻不能合成(CH2O)的原因是____________________________________________________________________。
(2)若對多肉植物突然停止光照，其葉肉細胞內C5的含量________(填“上升”或“下降”)，原因是_____________________________________________________
____________________________________________________________________。
(3)有人提出，CaCl2與脫落酸都能夠提高多肉植物的抗旱能力，并且混合使用效果更佳，請簡要寫出證明該觀點的實驗設計思路：______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
答案　(1)蘋果酸經脫羧作用釋放　呼吸作用產生　缺乏光照，不能產生NADPH和ATP　(2)下降　突然停止光照，光反應無法產生NADPH和ATP，C3的還原速率下降，C5的合成速率下降，而CO2濃度不變，C5的消耗速率不變，故C5含量下降 (3)以下兩種答案均可　①將生長狀況相同的多肉植物隨機均等分為四組，分別用等量的清水、CaCl2溶液、ABA溶液、CaCl2與ABA混合溶液處理，在干旱條件下培養，一段時間后測定并比較各組凈光合速率(或“比較各組生長發育狀況”)?、趯⑸L狀況相同的多肉植物隨機均等分為四組，其中一組不做處理，其余各組分別用等量的CaCl2溶液、ABA溶液、CaCl2和ABA混合溶液處理，在干旱條件下培養，一段時間后測定并比較各組凈光合速率(或“比較各組生長發育狀況”)
解析　(1)由題意可知，多肉植物白天氣孔關閉，無法從外界環境中吸收CO2，可利用液泡中的蘋果酸經脫羧作用釋放的CO2用于光合作用，另外，呼吸作用產生的CO2也可用于光合作用。多肉植物夜晚能吸收CO2，但夜晚無光照，不能產生NADPH和ATP，暗反應不能進行，故不能合成(CH2O)。
(2)若對多肉植物突然停止光照，其葉肉細胞內C5的含量下降，原因是突然停止光照，光反應無法產生NADPH和ATP，C3的還原速率下降，C5的合成速率下降，而CO2濃度不變，C5的消耗速率不變，故C5含量下降。
(3)要證明CaCl2與脫落酸都能夠單獨提高多肉植物的抗旱能力，需要設置空白對照組，若要證明兩者混合使用效果更佳，需要設置CaCl2與ABA混合溶液處理的一組實驗。實驗思路為：將生長狀況相同的多肉植物隨機均等分為四組，分別用等量的清水、CaCl2溶液、ABA溶液及CaCl2與ABA混合溶液處理，在干旱條件下培養，一段時間后測定并比較各組凈光合速率(或“比較各組生長發育狀況”)；或將生長狀況相同的多肉植物隨機均等分為四組，其中一組不做處理，其余各組分別用等量的CaCl2溶液、ABA溶液及CaCl2和ABA混合溶液處理，在干旱條件下培養，一段時間后測定并比較各組凈光合速率(或“比較各組生長發育狀況”)。
4.光合產物及運輸
①磷酸丙糖是光合作用中最先產生的糖，也是光合作用產物從葉綠體運輸到細胞質基質的主要形式。
②光合作用產生的磷酸丙糖既可以在葉綠體中形成淀粉，暫時儲存在葉綠體中，又可以通過葉綠體膜上的磷酸轉運器運出葉綠體，在細胞質基質中合成蔗糖。合成的蔗糖或臨時儲藏于液泡內，或從光合細胞中輸出，經韌皮部裝載長距離運輸到其他部位?！　　?br/>[例4] (2023·北京東城期末)下圖為某陸生植物體內碳流動示意圖。據圖分析，下列敘述不正確的是(　　)
A.過程①需要消耗光反應提供的ATP和NADPH
B.葉肉細胞中的卡爾文循環發生在葉綠體基質
C.在葉肉細胞中會發生由單糖合成二糖或多糖的過程
D.④受阻時，②③的進行能緩解C3積累對卡爾文循環的抑制
答案　A
解析　過程①二氧化碳的固定不需要消耗光反應提供的ATP和NADPH，三碳化合物的還原消耗光反應提供的ATP和NADPH，A錯誤；在葉肉細胞中會發生由單糖合成二糖或多糖的過程，由圖可知，葉綠體基質中會進行葡萄糖合成淀粉的過程，在細胞質基質中進行葡萄糖和果糖合成蔗糖的過程，C正確；圖中④蔗糖輸出受阻時，則進入葉綠體的Pi減少，磷酸丙糖大量積累，過多的磷酸丙糖將用于合成淀粉，即②③合成淀粉能緩解C3積累對卡爾文循環的抑制，D正確。
5.光系統及電子傳遞鏈
①光系統Ⅱ進行水的光解，產生氧氣、H＋和自由電子(e－)，光系統Ⅰ主要是介導NADPH的產生。
②電子傳遞過程是高電勢到低電勢(由于光能的作用)，釋放的能量將質子(H＋)逆濃度梯度從類囊體的基質側泵入到囊腔側，從而建立了質子濃度(電化學)梯度。
③類囊體內的高濃度質子通過ATP合成酶順濃度梯度流出，而ATP合成酶利用質子順濃度梯度中流出的能量來合成ATP?！　　?br/>[例5] (2023·山東泰安調研)下圖是番茄植株的葉肉細胞中進行光合作用的示意圖，PSⅡ和PSⅠ是由蛋白質和光合色素組成的復合物，是吸收、傳遞、轉化光能的光系統。下列敘述錯誤的是(　　)
A.自然界中能發生光合作用的生物，不一定具備PSⅡ和PSⅠ系統
B.光反應過程將吸收的光能轉換為活躍的化學能全部儲存在ATP中
C.在ATP合成酶的作用下，H＋順濃度梯度轉運提供分子勢能，促進ADP和Pi合成ATP
D.PSⅡ中的色素吸收光能后，將H2O分解為O2和H＋，產生電子傳遞給PSⅠ將NADP＋和H＋結合形成NADPH
答案　B
解析　分析圖示可知，光反應過程將吸收的一部分光能轉換為活躍的化學能儲存在ATP中，還有一部分儲存在NADPH中，B錯誤。
【真題感悟】
1.(2022·全國甲卷，29)根據光合作用中CO2的固定方式不同，可將植物分為C3植物和C4植物等類型。C4植物的CO2補償點比C3植物的低。CO2補償點通常是指環境CO2濃度降低導致光合速率與呼吸速率相等時的環境CO2濃度?；卮鹣铝袉栴}：
(1)不同植物(如C3植物和C4植物)光合作用光反應階段的產物是相同的，光反應階段的產物是____________________(答出3點即可)。
(2)正常條件下，植物葉片的光合產物不會全部運輸到其他部位，原因是______________________________________________________________________
________________________________________________________(答出1點即可)。
(3)干旱會導致氣孔開度減小，研究發現在同等程度干旱條件下，C4植物比C3植物生長得好。從兩種植物CO2補償點的角度分析，可能的原因是______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________。
答案　(1)O2、NADPH和ATP　(2)自身呼吸消耗或建造植物體結構　(3)C4植物的CO2補償點低于C3植物，C4植物能夠利用較低濃度的CO2
解析　(1)光合作用光反應階段的場所是葉綠體的類囊體薄膜，光反應發生的物質變化包括水的光解以及NADPH和ATP的形成，因此光合作用光反應階段生成的產物有O2、NADPH和ATP。(2)葉片光合作用產物一部分用來建造植物體結構和自身呼吸消耗，其余部分被輸送到植物體的儲藏器官儲存起來。正常條件下，植物葉片的光合產物不會全部運輸到其他部位。(3)干旱會導致氣孔開度減小，CO2吸收減少，由于C4植物的CO2補償點低于C3植物，則C4植物能夠利用較低濃度的CO2，因此光合作用受影響較小的植物是C4植物，C4植物比C3植物生長得好。
2.(2021·遼寧卷，22)早期地球大氣中的O2濃度很低，到了大約3.5億年前，大氣中O2濃度顯著增加，CO2濃度明顯下降?，F在大氣中的CO2濃度約390(μmol·mol－1)，是限制植物光合作用速率的重要因素。核酮糖二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)是一種催化CO2固定的酶，在低濃度CO2條件下，催化效率低。有些植物在進化過程中形成了CO2濃縮機制，極大地提高了Rubisco所在局部空間位置的CO2濃度，促進了CO2的固定?；卮鹣铝袉栴}：
(1)真核細胞葉綠體中，在Rubisco的催化下，CO2被固定形成________，進而被還原生成糖類，此過程發生在________中。
(2)海水中的無機碳主要以CO2和HCO兩種形式存在，水體中CO2濃度低、擴散速度慢，有些藻類具有圖1所示的無機碳濃縮過程，圖中HCO濃度最高的場所是________(填“細胞外”“細胞質基質”或“葉綠體”)，可為圖示過程提供ATP的生理過程有________。
圖1
(3)某些植物還有另一種CO2濃縮機制，部分過程見圖2。在葉肉細胞中，磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)可將HCO轉化為有機物，該有機物經過一系列的變化，最終進入相鄰的維管束鞘細胞釋放CO2，提高了Rubisco附近的CO2濃度。
圖2
①由這種CO2濃縮機制可以推測，PEPC與無機碳的親和力________(填“高于”“低于”或“等于”)Rubisco。
②圖2所示的物質中，可由光合作用光反應提供的是________。圖中由Pyr轉變為PEP的過程屬于________(填“吸能反應”或“放能反應”)。
③若要通過實驗驗證某植物在上述CO2濃縮機制中碳的轉變過程及相應場所，可以使用________技術。
(4)通過轉基因技術或蛋白質工程技術，可能進一步提高植物光合作用的效率，以下研究思路合理的有________。
A.改造植物的HCO轉運蛋白基因，增強HCO的運輸能力
B.改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成
C.改造植物的Rubisco基因，增強CO2固定能力
D.將CO2濃縮機制相關基因轉入不具備此機制的植物
答案　(1)三碳化合物　葉綠體基質　(2)葉綠體　細胞呼吸和光合作用　(3)①高于?、贜ADPH和ATP　吸能反應?、弁凰厥聚櫋?4)AC
解析　(1)光合作用的暗反應中，CO2被固定形成三碳化合物，進而被還原生成糖類，此過程發生在葉綠體基質中。(2)圖示可知，HCO吸收需要消耗ATP，為主動運輸過程，主動運輸一般是逆濃度運輸，由此推斷圖中HCO濃度最高的場所是葉綠體。該過程中細胞質中需要的ATP由細胞呼吸作用提供，葉綠體中的ATP可由光合作用提供。(3)①PEPC參與催化HCO＋PEP過程，說明PEPC與無機碳的親和力高于Rubisco。②圖2所示的物質中，可由光合作用光反應提供的是ATP和NADPH，圖中由Pyr轉變為PEP的過程需要消耗ATP，說明圖中由Pyr轉變為PEP的過程屬于吸能反應。③若要通過實驗驗證某植物在上述CO2濃縮機制中碳的轉變過程及相應場所，可以使用同位素示蹤技術。(4)改造植物的HCO轉運蛋白基因，增強HCO的運輸能力，可以提高植物光合作用的效率，A符合題意；改造植物的PEPC基因，抑制OAA的合成，不利于二氧化碳的生成，不能提高植物光合作用的效率，B不符合題意；改造植物的Rubisco基因，增強CO2固定能力，可以提高植物光合作用的效率，C符合題意；由于基因的表達受多種因素的復雜影響，將CO2濃縮機制相關基因轉入不具備此機制的植物，不一定提高植物光合作用的效率，D不符合題意。
【精準訓練】
1.(2023·華東師大附中調研)下圖為植物體內發生的光合作用和光呼吸作用的示意圖，下列相關敘述不正確的是(　　)
A.光合作用過程中CO2在葉綠體基質中被利用
B.農業上，控制好大棚中O2和CO2含量有利于農作物增產
C.在高O2含量的環境中，植物不能進行光合作用
D.將植物突然置于黑暗環境中，葉綠體中C5與C3間的轉化受影響
答案　C
解析　光合作用過程中CO2參與暗反應，場所是葉綠體基質，A正確；分析題圖可知，O2和CO2的濃度會影響光合作用和光呼吸，故農業上，控制好大棚中O2和CO2含量有利于農作物增產，B正確；在高O2含量的環境中，產生的C3也可用于卡爾文循環，進而生成糖，C錯誤；C5與C3之間的轉化是通過卡爾文循環實現的，將植物突然置于黑暗環境中，光反應不能進行，不能為暗反應提供NADPH和ATP，因而二者的轉化受影響，D正確。
2.(2023·西安鐵一中質檢)光合作用中，有一種特殊的固定CO2和節省水的類型。菠蘿、仙人掌和許多肉質植物都進行這種類型的光合作用，這類植物統稱為CAM植物，其特別適應干旱地區，特點是氣孔夜晚打開，白天關閉。如圖為菠蘿葉肉細胞內的部分代謝途徑(CAM途徑)示意圖，圖中蘋果酸是一種酸性較強的有機酸。據圖分析下列問題：
(1)據圖分析，推測圖中葉肉細胞右側a過程的活動發生在________(填“白天”或“夜晚”)，理由是_____________________________________________________
_____________________________________________________________________。
菠蘿在夜晚吸收的CO2，能否立即用來完成圖中葉肉細胞左側的生命活動？________(填“能”或“不能”)，分析原因為______________________________
_____________________________________________________________________。
(2)圖中蘋果酸通過過程a運輸到液泡內，又會通過過程b運出液泡進入細胞質，推測過程b發生在________(填“白天”或“夜晚”)。過程a具有的生理意義是______________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
(寫出兩個方面即可)。
(3)長期在強光照、高溫、缺水等逆境脅迫下，以菠蘿為代表的CAM植物形成了適應性機制：夜晚氣孔開放有利于________，白天氣孔關閉，有利于
___________________________________________________________________，
且可以通過________________________________________________________
獲得光合作用暗反應所需的CO2。
答案　(1)夜晚　題圖中葉肉細胞右側a過程顯示CO2進入細胞并轉變成蘋果酸儲存在液泡中，夜間氣孔打開，細胞才能完成此項活動　不能　夜晚沒有光照，光反應不能正常進行，無法為暗反應提供足夠的ATP和NADPH　(2)白天　一方面促進CO2的吸收，另一方面避免蘋果酸降低細胞質基質的pH，影響細胞質基質內的反應　(3)從外界吸收CO2　降低蒸騰作用，減少水分散失　蘋果酸的分解和細胞呼吸
解析　(1)夜晚氣孔開放，CO2進入細胞并轉變成蘋果酸儲存起來。夜晚沒有光照，光反應不能正常進行，無法為暗反應提供足夠的ATP和NADPH，因此夜晚不能進行題圖中細胞左側的光合作用。
(2)白天時，蘋果酸運出液泡，在細胞質中分解產生CO2來進行暗反應。夜間氣孔開放，從外界吸收的CO2與PEP發生系列反應生成蘋果酸，及時通過過程a將蘋果酸運進液泡中的生理意義包括兩方面：一方面促進CO2的吸收，另一方面避免蘋果酸降低細胞質基質的pH，影響細胞質基質內的反應。
(3)夜間氣孔開放，有利于從外界吸收CO2，白天氣孔關閉，有利于降低蒸騰作用，減少水分散失。干旱、光照充足的環境中，菠蘿光合作用大于呼吸作用，光合作用所需的CO2由兩種途徑提供：蘋果酸的分解和細胞呼吸。
3.自然界的植物豐富多樣，對環境的適應各有差異，自卡爾文發現光合作用中碳元素的行蹤后，又有科學家發現碳元素行蹤的其他路徑。請據圖回答下列問題：
(1)如圖是C4植物和CAM植物利用CO2途徑的示意圖。據圖分析，這兩類植物固定CO2的酶比C3植物多一種________酶，該酶比Rubisco對CO2的親和力大且不與O2親和，具有該酶的植物更能適應______________的環境。
(2)由圖可知，C4植物是在不同________進行CO2的固定，而CAM植物是在不同________進行CO2固定。典型的CAM植物如仙人掌在夜晚吸收的CO2能否立即用于C3途徑？________(填“能”或“不能”)，可能的原因是______________________________________________________________________
____________________________________________________________________。
答案　(1)PEP羧化　低二氧化碳濃度　(2)細胞　時間　不能　沒有光照，光反應不能正常進行，無法為碳(暗)反應提供充足的ATP和NADPH
解析　(1)C4植物和CAM植物固定二氧化碳的酶比C3植物多了一種，即PEP羧化酶。該酶比Rubisco對二氧化碳的親和力大且不與氧氣親和，因此具有該酶的植物更能適應低二氧化碳濃度的環境。
(2)由圖2可知，C4植物是在不同細胞中進行二氧化碳的固定，而CAM植物是在不同的時間進行二氧化碳的固定。典型的CAM植物在夜晚吸收的二氧化碳不能立即用于C3途徑，因為沒有光照，光反應不能正常進行，無法為碳(暗)反應提供充足的ATP和NADPH。

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